摘要：高爐的壽命長短決定于爐缸的壽命或爐腹、爐腰的冷板壽命。近年來由于上部冷卻結構、冷卻制度和方式不斷優化，爐缸壽命成為限制高爐壽命的主要環節。本文從高爐設計、日常操作和后續維護等方面就高爐壽命及護爐操作等進行了闡述。
關鍵詞：爐缸壽命 護爐操作
1 前言
高爐壽命的長短一方面取決于爐缸的壽命；另一方面取決于爐腹、爐腰的冷板壽命。隨著近十幾年來銅冷板的使用和鑄鐵冷板質量以及水功能的優化，高爐通過中修對部分冷板進行更換或者爐墻噴涂造襯能實現較長的一代爐齡，因此爐缸的壽命成為決定高爐壽命的主要因素。爐缸的形式多種多樣，要想長壽，就應該在爐缸的材質、結構、砌筑的方式、爐底爐缸的水冷方式以及功能等方面形成最優的組合。概括起來講，高爐長壽一方面在于爐缸本身的設計和施工；另一方面是后續的操作維護。
2 保證高爐長壽的基礎—爐缸設計
爐缸設計包括爐缸的結構組成、材質選擇、冷卻制度選擇、砌筑標準制定以及死鐵層的厚度選擇等。
2.1 爐缸的結構
組成爐缸的結構組成一種是炭磚和陶瓷杯結合的復合爐底；另一種是以炭磚為主的爐底。前者的設計觀念認為炭磚抵抗鐵水溶蝕難以實現，通過使用高致密度、高耐火度的陶瓷材質抵抗高溫鐵水的沖刷和侵蝕，并利用其低導熱的性能將爐內的熱量隔絕在炭磚熱面以內。這種設計的缺點是陶瓷材料與炭磚之間導熱系數相差較大，兩層之間的炭素膠泥容易形成熱應力，導致開裂，炭磚傳熱受阻，爐內不易形成穩定的渣鐵殼，一旦陶瓷材料沖刷掉后，炭磚容易產生環裂等，因此要求陶瓷材料具備較高的致密度和耐火度。后者的設計觀念是通過選用高導熱的炭磚將爐內的熱量及時經炭磚導出，在炭磚的熱面形成渣鐵凝固層（1150℃永固層），保護炭磚，實現爐缸的安全長壽。這一設計的缺點是一旦炭磚侵蝕或縫隙串煤氣，爐缸熱流強度會急劇升高，且不易有效控制，對生產存在較大安全隱患，因此要求較高的砌筑質量。這兩種設計均有長壽的事例，但也均出現過滲鐵、漏鐵和爐缸燒穿的事故。
2.2 材質的選擇
爐缸材質的選擇包括種類和標準兩方面。材質種類上一方面主要是鐵口區域，選擇棕剛玉組合磚還是炭素質組合轉要根據實際情況和綜合爐缸設計進行選擇；另一方面是爐缸側面不同標高對應炭磚的種類選擇，包括石墨磚、半石墨磚、微孔磚和超微孔磚，主要是考慮和平衡炭素材料的抗鐵水溶蝕性能和導熱系數高低。標準上主要是針對幾個重要的指標，包括高溫耐壓強度、熱膨脹率、鐵水爐渣溶蝕指數和致密度等。
2.3 冷卻制度的選擇
爐缸冷卻制度包括冷卻方式、水質、水量三個方面。冷卻方式目前主要有兩種，一種是軟水或純水閉路循環冷卻；另一種是工業水或純水開路冷卻。前者可以承受熱流密度的大幅波動，無結垢，無腐蝕，且耗水少，但對局部冷卻制度的強化難以實現；后者技術裝備簡單，通用性強，可實現局部的強化冷卻控制，但耗水量大。具體選擇要根據地區區域性和爐缸的磚襯組合方式來定。水質要求懸浮物要少、硬度要低，軟水閉路具有較優的冷卻水質，開路冷卻需要定期對冷板進行清洗和冷卻水加藥凈化。水量是控制冷卻強度主要因素，核心是控制冷卻壁內冷卻介質的流速。無論選擇哪種冷卻方式，最基本要求是必須滿足一定的冷卻強度，以實現穩定熱負荷操作。
2.4 砌筑標準
爐缸砌筑質量差是近年來發生爐缸燒穿事故的重要因素，有的高爐在開爐后較短時間便出現爐缸側壁熱流強度或爐底中心熱電偶溫度的急劇升高，大修挖爐時發現磚縫滲鐵嚴重，甚至爐缸殘鐵中存在完整的炭磚。砌筑質量差，導致磚縫較寬，致密度差，堿金屬、Pb等容易進入磚襯，進而破壞磚層完整度，加劇爐缸耐材的侵蝕和沖刷，嚴重縮短爐缸壽命。
2.5 死鐵層的厚度
保持一定的死鐵層厚度是有效緩解爐缸鐵水環流對爐底沖刷侵蝕的關鍵因素。近年部分高爐大修發現爐底第一層，甚至第二層炭磚中心侵蝕嚴重，即“鍋底狀”侵蝕，較小的死鐵層厚度是造成這一侵蝕的重要因素。現階段國內大型高爐的死鐵層厚度在1.5-2m，日本還要高于這一數值。
3 決定高爐長壽的關鍵—后續維護
爐缸設計合理是保證爐缸壽命的基礎，高爐后續的維護工作是保證爐缸壽命的關鍵，包括原燃料質量的管控、有害元素的控制、爐缸工作狀態的監護、高爐操作的優化、護爐操作以及應急預案制定等。部分專家認為高爐能實現長壽，起決定作用的是高爐操作者的后續維護工作。比如，首鋼本部高爐一代壽命可達到15年左右，爐缸熱流強度均可控，基本不超41800kJ/m2·h，但是遷鋼高爐采用與本部基本相似的結構，熱流強度在爐役初期卻升高，甚至超過83600kJ/m2·h，首鋼一些專家認為部分原因是操作不合理造成的。
3.1 原燃料質量管控
隨著高爐的大型化，對原燃料質量的要求也逐步提高，尤其是焦炭的質量。現階段鋼鐵市場整體效益不好，加大消化劣質礦種的比例成為降低鐵水成本的關鍵，如果說單純實行“精料”方針比較難以實現，也不現實，但是一些基本的共識還必須堅持。就原料而言，品位低一些、Al2O3高一些、SiO2高一些均會導致高爐渣量的增加，最直接的反應是燃料比的增加和料柱透氣性的變差，這些變化只要保持在一定的范圍，高爐操作通過制度的調整可以緩解高爐壓差的升高幅度，進而保證順行，但是礦石的還原性、高溫冶金性能不能降，如果還原性差、軟熔溫度低、區間寬，這不僅影響燃料比的高低，最主要是直接影響爐內氣流和爐內熱量的分布，嚴重會出現爐況失常，高爐表現為長時間的三低兩高（低負荷、低爐溫、低煤氣利用率和硅高、硫高）。就燃料而言，主要是焦炭，焦炭S、水份、灰分可適當放寬，但焦炭的冷熱強度和爐內較好的燃燒性不能降。隨著爐容的不斷增加，焦炭負荷增加，焦層厚度呈降低趨勢，對上部和下部的透氣性均產生較大影響，而焦炭具備一定的冷熱強度是保證上部塊狀層和下部焦窗透氣性的關鍵。高爐正常生產時，爐底死焦層的更新和透液性好壞決定了爐缸鐵水環流的強弱，而鐵水的環流是影響爐缸壽命的主要因素，從這個角度考慮也需要保證焦炭較好的質量。此外，據遷鋼技術人員反映，在爐缸溫度升高時，壓差增加會加劇這一升高趨勢，且對護爐操作產生不利影響。因此，在目前品位降低、渣量增加、焦炭灰分和硫分升高的原燃料條件下，保持一定的共識是有必要的。
3.2 有害元素的控制
有害元素的控制是煉鐵操作者長期以來堅持的原則，但是關于部分元素對爐缸壽命的影響應該重新進行認識，主要是堿金屬和Zn。過去認為堿金屬和Zn富集是爐身上部結厚結瘤的罪魁禍首，但近年來一些專家提出這兩者也是破壞爐缸耐材結構，縮短爐缸壽命的因素。堿金屬30%隨煤氣上升，其中一部分隨爐料下降，在高爐下部形成堿金屬的循環富集，剩余的堿金屬對陶瓷質耐材的破壞是與Al2O3、SiO2反應，生成低熔點化合物，還與耐材中的莫來石（3Al2O3·2SiO2）反應，同時產生30%-50%的體積膨脹，破壞磚襯。堿金屬對炭質耐材的破壞是一方面在爐內高CO氣氛下與磚中的氧化亞鐵發生反應，降低磚的耐壓強度；另一方面是嵌入石墨晶格平面間，生成層狀物，使晶格間距變大，磚發生脆化。Zn的作用與堿金屬相似，我廠八高爐在爐缸磚縫挖出的黃色致密物，檢測結果顯示含ZnO高達90%，這也說明了這一點。
3.3 爐缸工作狀態的監護
目前新建的大中型高爐在爐缸狀態監護方面做得較好，一方面是在爐缸圓周和爐底安裝熱電偶，對耐材的不同部位進行溫度監測；另一方面是通過對冷卻水溫差進行測量，計算冷板的熱流強度。這兩方面的監測，目的是衡量爐缸熱負荷是否穩定、可控。但在實際的監測過程中，要結合著來分析，如果炭磚本身的導熱系數較高，內外層熱電偶溫度升高，溫差較小，但水溫差計算熱流強度可能較高；相反如果炭磚導熱系數較低，熱電偶溫度升高，雖然溫差較大，但水溫差計算的熱流強度可能較低。因此，在實際生產中應該結合著判斷爐缸的熱狀態，但是，一旦出現突高，無論是熱電偶，還是水溫差都應該引起高度重視。通過對熱流強度的計算，一方面可以估算磚襯的剩余厚度；另一方面是可對爐缸局部侵蝕情況進行判斷。關于磚襯厚度部分專家結合實際提出：400m3以下高爐，磚襯厚度極限值為300mm；1000m3級大高爐，磚襯厚度極限值為400-500mm；2000-2500m3大高爐，磚襯厚度極限值為500-600mm；大于3000m3級大高爐，磚襯厚度極限值為600-800mm，這一觀點一定程度上可以幫助對爐缸的狀態進行判斷。爐缸局部侵蝕情況的判斷主要是用冷板熱流強度結合該部位熱電偶的溫度進行分析，概括的講是點面的結合，總公司由總表示兩種方式計算出同樣高的熱流強度，則冷板處更薄弱，這時冷板的局部磚襯可能已經嚴重侵蝕或者爐內渣鐵可能已經接觸冷板，因此，當個別冷板熱流強度突高時（嚴重超出控制標準），必須給予足夠的重視，并采取對應的措施。我廠在借鑒八高爐的經驗基礎之上，在九高爐也安裝了爐缸侵蝕模型，目前的數據顯示結果和冷板熱流強度較高的部位基本能夠對應，對指導安全生產具有一定的意義。
3.4 高爐操作的優化
高爐操作包括高爐內部操作和爐外操作。對高爐的壽命影響較大，尤其是針對外界變化的調劑，一方面是影響上部冷板的破損程度；另一方面是影響爐缸磚襯的侵蝕程度。80-90年代原燃料的質量不好，高爐順行度差，因此高爐內部操作上有意發展邊緣氣流，爐況順行度明顯改善，但是爐腹、爐腰冷板損壞嚴重，甚至爐皮開裂，影響高爐壽命。21世紀隨著高爐的大型化，爐料、焦炭質量明顯改善，高爐的順行關過了，高爐內部操作上也逐步形成“發展中心、兼顧邊緣”的原則，在爐況順行度提高的同時，冷板使用壽命也明顯延長，加上爐腹、爐腰銅冷板的使用，爐腹、爐腰的長壽基本解決。高爐內部操作上另一個重要的任務是保持合理的爐缸熱量，即保證合理的渣鐵溫度。研究表明，液態渣鐵在爐缸內必須達到一定的溫度，才能滿足正常穿透死焦層的需要，具體的溫度控制還要根據鐵種和渣相來定。當溫度較低時，渣鐵流動性差，不能及時穿透死焦層進入爐缸，一方面是不能及時排凈渣鐵，導致爐缸負擔增加；另一方面是影響死焦層的更替，進而影響爐缸活躍度，一旦采取改善措施，必然會導致鐵水對爐缸側壁的沖刷加劇和熱應力的增加，進而影響磚襯的強度和壽命。此外，高爐內部操作還包括開停爐、休復風以及冶強控制等方面，開停爐中影響爐缸壽命最重要的環節是烘爐操作，烘爐操作前期溫度控制在500℃以內，只能將爐缸爐底的保護磚或陶瓷杯烘熱，炭磚幾乎沒有加熱，炭磚與冷卻壁之間的搗打料、冷卻壁與爐殼之間的鐵屑料也沒有加熱，開爐后隨著爐缸溫度急劇升高，炭磚所受熱應力加大，搗打料容易出現裂縫，產生氣隙，這些均會導致爐缸壽命縮短。為解決這一影響，總公司由總曾建議在烘爐時，可考慮上部不開冷卻水，使得冷板熱面溫度接近60℃，搗鼓料能夠很好地固結；還有部分專家提出高爐烘爐時，爐缸冷卻壁通熱水。休復風操作對爐缸的壽命影響主要表現在頻次上，每一次操作必然經歷一個冷熱交替期和較長的恢復期，影響爐缸工作狀態，進而影響壽命。冶強的合理水平也是影響爐缸壽命的關鍵，高冶強必然是大風量操作和大爐缸煤氣量，一方面會加劇爐缸鐵水的環流，增加對爐缸的沖刷力度；另一方面爐內壓力大，對爐殼的應力作用也更加明顯，因此對于一定容積的高爐，應該尋求一個最佳的冶煉強度，進而平衡壽命和產量的關系，實現效益的最大化。國內一些私人鋼鐵企業極力追求高冶強操作，結果1-2年便發生爐缸熱流強度超過警戒值，甚至發生爐缸漏鐵燒穿事故。高爐外部操作直觀的表現是鐵口的維護，其目的概括起來講便是及時、安全地出盡爐內渣鐵，這就要求一方面必須堵好鐵口，保持合理的鐵口深度和角度；另一方面必須開好鐵口，保持順暢的鐵口孔道。鐵口區域是爐缸除風口以外最薄弱的部位，該處長期經受鐵水的劇烈沖刷，一般情況下是爐缸熱流強度最高的部位，因此維護好鐵口的狀態是延長爐缸壽命直接手段。
3.5 護爐操作
護爐操作是在爐缸發生局部嚴重侵蝕，熱流強度嚴重超標時采取的應急補救措施，是在安全生產的前提下，延長高爐運行的有效手段。主要措施有：控制冶強、加鈦礦護爐、提高冷卻強度、調整風口參數或堵風口、爐缸打漿、風口喂線以及鐵口炮泥加Ti粉等。
護爐操作嚴格上講應該分兩個階段和兩個種類，兩個階段即消除期和緩解期；兩個種類即爐底護爐和爐缸壁護爐。消除期表示這時爐缸的侵蝕不嚴重，爐缸熱電偶溫度或者冷板熱流強度只是局部升高至警戒水平，總公司由總表示爐缸的維護預防高于治理，針對這一現象，整個系統必須引起高度重視，并要及時采取應對措施，這一時期爐缸的侵蝕不會很嚴重，可能是陶瓷杯局部侵蝕掉或者炭磚磚縫小幅滲鐵等，通過鐵水增鈦、提高局部冷卻強度、縮小風口等措施即可實現爐缸的安全運行，雖然沒有本質地消除這些缺陷，但效果等同于新爐子冶煉；緩解期表示爐缸侵蝕嚴重，炭磚殘余厚度不多，可能剛滿足安全生產的極限厚度，即使采取各種措施，效果也只能是緩解，而不能達到新爐子冶煉的效果，這時采取的措施更多，包括鐵水高鈦量、降冶強、臨時或長時間堵風口以及風口喂線等，生產組織更加復雜，難度更大，效果也可能不太明顯。此外，爐缸不同部位護爐機理不同，采取的護爐措施也不同，包括包鋼、攀鋼等部分企業認為鈦礦護爐對爐缸側壁的保護作用基本沒有，但是首鋼的經驗認為鈦礦對側壁保護有一定作用。
就國內普遍的認識而言，爐缸側壁的保護機理是希望在已侵蝕炭磚熱面形成一定厚度的石墨碳和鈦碳氮化物，這樣就需要提高爐溫和鐵水Ti含量，增加爐缸的石墨碳沉積和鈦碳氮化物沉積，同時必須結合較高的冷卻強度，進而形成一定厚度的保護層；有的專家認為可以在炭磚表面形成一定的渣鐵凝固層，但是北科大的王筱留教授認為生產中的高爐側壁炭磚上是沒有凝固保護層的，尤其是鐵口周邊地區，挖爐時發現的凝固層是在放殘鐵時或放殘鐵后上部料柱中殘余渣鐵下滴遇到低溫側壁凝固在上面的，而不是生產時凝結在上面的，但是該區域存在著含石墨碳高和含TiC，TiN，Ti（C，N）（用含TiO2物料護爐時）的粘滯層，這一粘滯層起到了隔離鐵水主流與炭磚的接觸，減弱了主流鐵水對炭磚的侵蝕，但不能消除侵蝕作用，如果因某些原因粘滯層遭到沖擊而進入高溫鐵水，不飽和碳鐵水流才會進而對炭磚機械沖刷和溶解形成象腳形侵蝕。因此，在用鈦礦護爐或石墨碳機理護爐時，必須持續的進行，鐵水Ti含量可根據熱流強度的變化做調整，但必須保持一定的范圍，且爐溫必須保持較高的水平。此外，護爐操作還應根據實際的生產情況和爐缸的侵蝕情況制定合理的護爐操作標準，這一標準的制定條件必須結合爐缸熱流強度和熱電偶溫度，按照級別的高低分別采取不同程度的有效護爐措施，這一標準的合理性直接決定能否安全生產，因此必須認真研究制定，可以借鑒國內兄弟企業和專家學者的觀點。就首鋼系統觀點而言，炭磚—陶瓷杯復合爐底爐缸結構，當侵蝕較輕時，熱流強度的變化比較準確；當侵蝕嚴重時，熱流強度已經達到較高水平，這時必須加強對熱電偶溫度的記錄，尤其是當熱電偶顯示數值突高或損壞時，必須高度重視，甚至必須采取休風涼爐等應急措施。
3.6 應急預案制定
應急預案制定是針對護爐操作而進行的補充，是護爐失效后確保人員安全的關鍵。應急預案的制定包括事故發生后高爐操作制度和人員撤離方案的制定，其制定原則是一方面必須保證高爐工作者的人身安全；另一方面盡量將損失降至最低。長鋼8高爐上代爐齡在應急預案方面較為完善，后續高爐可以借鑒。4 結語（1）爐缸設計的合理性是保證高爐長壽的基礎，包括爐缸的結構組成、材質選擇、冷卻制度選擇、砌筑標準制定以及死鐵層的厚度選擇等。（2）高爐開爐后的操作控制是決定高爐長壽的關鍵，包括原燃料質量管控、有害元素的控制、爐缸工作狀態的監護、高爐操作的優化、護爐操作等。
來源：高爐煉鐵人
